The permeability parameter of the outer membrane of pseudomonas aeruginosa Varies with the concentration of a test substrate, cephalosporin C

The permeability parameter (C) for the movement of cephalosporin C across the outer membrane of Pseudomonas aeruginosa was measured using the widely accepted method of Zimmermann & Rosselet. In one experiment, the value of C varied continuously from 4·2 to 10·8 cm3 min-1 (mg dry wt cells)-1 over a range of concentrations of the test substrate, cephalosporin C, from 50 to 5 μm. Dependence of C on the concentration of test substrate was still observed when the effect of a possible electric potential difference across the outer membrane was corrected for. In quantitative studies of β-lactam permeation the dependence of C on the concentration of β-lactam should be taken into account.

Effect of the addition of invert sugar on the production of cephalosporin C in a fed-batch bioreactor

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Modelling and optimization of the cephalosporin C production bioprocess in a fed-batch bioreactor with invert sugar as substrate

Cephalosporin C production process optimization was studied based on four experiments carried out in an agitated and aerated tank fermenter operated as a fed-batch reactor. The microorganism Cephalosporium acremonium ATCC 48272 (C-10) was cultivated in a synthetic medium containing glucose as major carbon and energy source. The additional medium contained a hydrolyzed sucrose solution as the main carbon and energy source and it was added after the glucose depletion. By manipulating the supplementary feed rate, it was possible to increase antibiotic production. A mathematical model to represent the fed-batch production process was developed. It was observed that the model was applicable under different operation conditions, showing that optimization studies can be made based on this model. (C) 1999 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

The dead core model applied to beads with immobilized cells in a fed-batch cephalosporin C production bioprocess

Viable cells immobilized in inert supports are currently studied for a wide range of bioprocesses. The intrinsic advantages of such systems over suspended cultures incite new research, including studies on fundamental aspects as well as on the industrial viability of these non-conventional processes. In aerobic culture of filamentous fungi, scale-up is hindered by oxygen mass transfer limitation through the support material and bioprocess kinetics must be studied together with mass transfer limitation. In this work, experimental and simulated data of cephalosporin C production were compared. Concentrations in the bulk fermentation medium and cellular mass profiles inside the bioparticles are focused. Immobilized cells were used in a tower bioreactor, operated in fed-batch mode. To describe the radial variation of oxygen concentration within the pellet, a dead core model was used. Despite the extremely low sugar concentrations, bioreaction rates in the pellets were limited by the dissolved oxygen concentration. Cell growth occurs only in the outer layers, a result also confirmed by scanning electron microscopy. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Modeling and simulation of cephalosporin C production in a fed-batch tower-type bioreactor

Immobilized cell utilization in tower-type bioreactor is one of the main alternatives being studied to improve the industrial bioprocess. Other alternatives for the production of beta -lactam antibiotics, such as a cephalosporin C fed-batch p recess in an aerated stirred-tank bioreactor with free cells of Cepha-losporium acremonium or a tower-type bioreactor with immobilized cells of this fungus, have proven to be more efficient than the batch profess. In the fed-batch process, it is possible to minimize the catabolite repression exerted by the rapidly utilization of carbon sources (such as glucose) in the synthesis of antibiotics by utilizing a suitable flow rate of supplementary medium. In this study, several runs for cephalosporin C production, each lasting 200 h, were conducted in a fed-batch tower-type bioreactor using different hydrolyzed sucrose concentrations, For this study's model, modifications were introduced to take into account the influence of supplementary medium flow rate. The balance equations considered the effect of oxygen limitation inside the bioparticles. In the Monod-type rate equations, eel concentrations, substrate concentrations, and dissolved oxygen were included as reactants affecting the bioreaction rate. The set of differential equations was solved by the numerical method, and the values of the parameters were estimated by the classic nonlinear regression method following Marquardt's procedure with a 95% confidence interval. The simulation results showed that the proposed model fit well with the experimental data,and based on the experimental data and the mathematical model an optimal mass flow rate to maximize the bioprocess productivity could be proposed.

Cephalosporin C production by immobilized Cephalosporium acremonium cells in a repeated batch tower bioreactor

The industrial production of antibiotics with filamentous fungi is usually carried out in conventional aerated and agitated tank fermentors. Highly viscous non-Newtonian broths are produced and a compromise must be found between convenient shear stress and adequate oxygen transfer. In this work, cephalosporin C production by bioparticles of immobilized cells of Cephalosporium acremonium ATCC 48272 was studied in a repeated batch tower bioreactor as an alternative to the conventional process. Also, gas-liquid oxygen transfer volumetric coefficients, k(L)a, were determined at various air flow-rates and alumina contents in the bioparticle. The bioparticles were composed of calcium alginate (2.0% w/w), alumina (<44 micra), cells, and water. A model describing the cell growth, cephalosporin C production, oxygen, glucose, and sucrose consumption was proposed. To describe the radial variation of oxygen concentration within the pellet, the reaction-diffusion model forecasting a dead core bioparticle was adopted. The k(L)a measurements with gel beads prepared with 0.0, 1.0, 1.5, and 2.0% alumina showed that a higher k(L)a value is attained with 1.5 and 2.0%. An expression relating this coefficient to particle density, liquid density, and air velocity was obtained and further utilized in the simulation of the proposed model. Batch, followed by repeated batch experiments, were accomplished by draining the spent medium, washing with saline solution, and pouring fresh medium into the bioreactor. Results showed that glucose is consumed very quickly, within 24 h, followed by sucrose consumption and cephalosporin C production. Higher productivities were attained during the second batch, as cell concentration was already high, resulting in rapid glucose consumption and an early derepression of cephalosporin C synthesizing enzymes. The model incorporated this improvement predicting higher cephalosporin C productivity. (C) 2004 Wiley Periodicals, Inc.

Studies on the respiration rate of free and immobilized cells of Cephalosporium acremonium in cephalosporin C production

Bioprocesses using filamentous fungi immobilized in inert supports present many advantages when compared to conventional free cell processes. However, assessment of the real advantages of the unconventional process demands a rigorous study of the limitations to diffusional mass transfer of the reagents, especially concerning oxygen. In this work, a comparative study was carried out on the cephalosporin C production process in defined medium containing glucose and sucrose as main carbon and energy sources, by free and immobilized cells of Cephalosporium acremonium ATCC 48272 in calcium alginate gel beads containing alumina. The effective diffusivity of oxygen through the gel beads and the effectiveness factors related to the respiration rate of the microorganism were determined experimentally. By applying Monod kinetics, the respiration kinetics parameters were experimentally determined in independent experiments in a complete production medium. The effectiveness factor experimental values presented good agreement with the theoretical values of the approximated zero-order effectiveness factor, considering the dead core model. Furthermore, experimental results obtained with immobilized cells in a 1.7-L tower bioreactor were compared with those obtained in 5-L conventional fermenter with free cells. It could be concluded that it is possible to attain rather high production rates working with relatively large diameter gel beads (ca. 2.5 mm) and sucrose consumption-based productivity was remarkably higher with immobilized cells, i.e., 0.33 gCPC/kg sucrose/h against 0.24 gCPC/kg sucrose/h in the aerated stirred tank bioreactor process. (C) 1999 John Wiley & Sons, Inc.

Estudo da composição de meios de cultura para a produção de cefamicina C por Streptomuces clavuligerus

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Stepwise engineering of a Pichia pastoris D-amino acid oxidase whole cell catalyst

Trigonopsis variabilis D-amino acid oxidase (TvDAO) is a well characterized enzyme used for cephalosporin C conversion on industrial scale. However, the demands on the enzyme with respect to activity, operational stability and costs also vary with the field of application. Processes that use the soluble enzyme suffer from fast inactivation of TvDAO while immobilized oxidase preparations raise issues related to expensive carriers and catalyst efficiency. Therefore, oxidase preparations that are more robust and active than those currently available would enable a much broader range of economically viable applications of this enzyme in fine chemical syntheses. A multi-step engineering approach was chosen here to develop a robust and highly active Pichia pastoris TvDAO whole-cell biocatalyst. As compared to the native T. variabilis host, a more than seven-fold enhancement of the intracellular level of oxidase activity was achieved in P. pastoris through expression optimization by codon redesign as well as efficient subcellular targeting of the enzyme to peroxisomes. Multi copy integration further doubled expression and the specific activity of the whole cell catalyst. From a multicopy production strain, about 1.3 x 103 U/g wet cell weight (wcw) were derived by standard induction conditions feeding pure methanol. A fed-batch cultivation protocol using a mixture of methanol and glycerol in the induction phase attenuated the apparent toxicity of the recombinant oxidase to yield final biomass concentrations in the bioreactor of >or= 200 g/L compared to only 117 g/L using the standard methanol feed. Permeabilization of P. pastoris using 10% isopropanol yielded a whole-cell enzyme preparation that showed 49% of the total available intracellular oxidase activity and was notably stabilized (by three times compared to a widely used TvDAO expressing Escherichia coli strain) under conditions of D-methionine conversion using vigorous aeration. Stepwise optimization using a multi-level engineering approach has delivered a new P. pastoris whole cell TvDAO biocatalyst showing substantially enhanced specific activity and stability under operational conditions as compared to previously reported preparations of the enzyme. The production of the oxidase through fed-batch bioreactor culture and subsequent cell permeabilization is high-yielding and efficient. Therefore this P. pastoris catalyst has been evaluated for industrial purposes.

Metabolic engineering of beta-oxidation in Penicillium chrysogenum for improved semi-synthetic cephalosporin biosynthesis

Industrial production of semi-synthetic cephalosporins by Penicillium chrysogenum requires supplementation of the growth media with the side-chain precursor adipic acid. In glucose-limited chemostat cultures of P. chrysogenum, up to 88% of the consumed adipic acid was not recovered in cephalosporinrelated products, but used as an additional carbon and energy source for growth. This low efficiency of side-chain precursor incorporation provides an economic incentive for studying and engineering the metabolism of adipic acid in P. cluysogenum. Chemostat-based transcriptome analysis in the presence and absence of adipic acid confirmed that adipic acid metabolism in this fungus occurs via beta-oxidation. A set of 52 adipate-responsive genes included six putative genes for acyl-CoA oxidases and dehydrogenases, enzymes responsible for the first step of beta-oxidation. Subcellular localization of the differentially expressed acyl-CoA oxidases and dehydrogenases revealed that the oxidases were exclusively targeted to peroxisomes, while the dehydrogenases were found either in peroxisomes or in mitochondria. Deletion of the genes encoding the peroxisomal acyl-CoA oxidase Pc20g01800 and the mitochondrial acyl-CoA dehydrogenase Pc20g07920 resulted in a 1.6- and 3.7-fold increase in the production of the semi-synthetic cephalosporin intermediate adipoyl-6-APA, respectively. The deletion strains also showed reduced adipate consumption compared to the reference strain, indicating that engineering of the first step of beta-oxidation successfully redirected a larger fraction of adipic acid towards cephalosporin biosynthesis. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Molecular characterization of extended-spectrum cephalosporin-resistance in Escherichia coli in pigs on-farm and from clinical cases throughout Quebec, Canada during 16 years

Le développement de la multirésistance chez Escherichia coli est un problème important en médecine animale et humaine. En outre, l’émergence et la diffusion des déterminants de résistance aux céphalosporines à larges spectres de troisième génération (ESCs) parmi les isolats, incluant des céphalosporines essentielles en médecine humaine (ex. ceftriaxone et ceftiofur), est un problème majeur de santé publique. Cette thèse visait trois objectifs. D’abord étudier la dynamique de la résistance aux antimicrobiens (AMR) ainsi que la virulence et les profils génétiques de la AMR des E. coli isolées de porcs recevant une nourriture post-sevrage supplémentée avec de la chlortétracycline et de la pénicilline G, et, accessoirement, évaluer les effets d'additifs alimentaires sur cette dynamique en prenant pour exemple d'étude un minéral argileux, la clinoptilolite, étant donné son possible lien avec le gène blaCMY-2 qui confère la résistance au ceftiofur. L'objectif suivant était d'investiguer les mécanismes menant à une augmentation de la prévalence du gène blaCMY-2 chez les porcs qui reçoivent de la nourriture médicamentée et qui n'ont pas été exposés au ceftiofur Ici encore,nous avons examiné les effets d’un supplément alimentaire avec un minéral argileux sur ce phénomène. Enfin, notre dernier objectif était d’étudier, dans le temps, les génotypes des isolats cliniques d'E. coli résistant au ceftiofur, isolés de porcs malades au Québec à partir du moment où la résistance au ceftiofur a été rapportée, soit de 1997 jusqu'à 2012. Dans l'étude initiale, la prévalence de la résistance à 10 agents antimicrobiens, incluant le ceftiofur, s’accroît avec le temps chez les E.coli isolées de porcelets sevrés. Une augmentation tardive de la fréquence du gène blaCMY-2, encodant pour la résistance au ceftiofur, et la présence des gènes de virulence iucD et tsh a été observée chez les isolats. La nourriture supplémentée avec de la clinoptilolite a été associée à une augmentation rapide mais, par la suite, à une diminution de la fréquence des gènes blaCMY-2 dans les isolats. En parallèle, une augmentation tardive dans la fréquence des gènes blaCMY-2 et des gènes de virulence iucD et tsh a été observée dans les isolats des porcs contrôles, étant significativement plus élevé que dans les porcs ayant reçu l'additif au jour 28. La diversité, au sein des E. coli positives pour blaCMY-2 , a été observée au regard des profils AMR. Certaines lignées clonales d'E.coli sont devenues prédominantes avec le temps. La lignée clonale du phylotype A prédominait dans le groupe supplémenté, alors que les lignées clonales du phylotype B1, qui possèdent souvent le gène de virulence iucD associé aux ExPEC, prédominaient dans le groupe contrôle. Les plasmides d'incompatibilité (Inc) des groupes, I1, A/C, et ColE, porteurs de blaCMY-2, ont été observés dans les transformants. Parmi les souches cliniques d'E.coli ESC-résistantes, isolées de porcs malades au Québec de 1997 à 2012, blaCMY-2 était le gène codant pour une β-lactamase le plus fréquemment détecté; suivi par blaTEM et blaCTX-M,. De plus, les analyses clonales montrent une grande diversité génétique. Par contre, des isolats d'E. coli avec des profils PFGE identiques ont été retrouvés dans de multiples fermes la même année mais aussi dans des années différentes. La résistance à la gentamicine, kanamycine, chloramphenicol, et la fréquence de blaTEM et de IncA/C diminuent significativement au cour de la période étudiée, alors que la fréquence de IncI1 et de la multirésistance à sept catégories d'agents antimicrobiens augmente significativement avec le temps. L'émergence d'isolats d'E. coli positifs pour blaCTX-M, une β-lactamase à large spectre et produisant des ESBL, a été observée en 2011 et 2012 à partir de lignées clonales distinctes et chez de nombreuses fermes. Ces résultats, mis ensemble, apportent des précisions sur la dissémination de la résistance au ceftiofur dans les E. coli isolées de porcs. Au sein des échantillons prélevés chez les porcs sevrés recevant l'alimentation médicamentée sur une ferme, et pour laquelle une augmentation de la résistance au ceftiofur a été observée, les données révèlent que les souches d'E. coli positives pour blaCMY-2 et résistantes aux ESCs appartenaient à plusieurs lignées clonales différentes arborant divers profils AMR. Le gène blaCMY-2 se répand à la fois horizontalement et clonalement chez ces E. coli. L'ajout de clinoptilotite à la nourriture et le temps après le sevrage influencent la clonalité et la prévalence du gène blaCMY-2 dans les E. coli. Durant les 16 années d'étude, plusieurs lignées clonales différentes ont été observées parmi les souches d'E. coli résistantes au ceftiofur isolées de porc malades de fermes québécoises, bien qu’aucune lignée n'était persistante ou prédominante pendant l'étude. Les résultats suggèrent aussi que le gène blaCMY-2 s'est répandu à la fois horizontalement et clonalement au sein des fermes. De plus, blaCMY-2 est le gène majeur des β-lactamases chez ces isolats. À partir de 2011, nous rapportons l'émergence du gène blaCTX-M dans des lignées génétiques distinctes.

Molecular characterization of extended-spectrum cephalosporin-resistance in Escherichia coli in pigs on-farm and from clinical cases throughout Quebec, Canada during 16 years

Le développement de la multirésistance chez Escherichia coli est un problème important en médecine animale et humaine. En outre, l’émergence et la diffusion des déterminants de résistance aux céphalosporines à larges spectres de troisième génération (ESCs) parmi les isolats, incluant des céphalosporines essentielles en médecine humaine (ex. ceftriaxone et ceftiofur), est un problème majeur de santé publique. Cette thèse visait trois objectifs. D’abord étudier la dynamique de la résistance aux antimicrobiens (AMR) ainsi que la virulence et les profils génétiques de la AMR des E. coli isolées de porcs recevant une nourriture post-sevrage supplémentée avec de la chlortétracycline et de la pénicilline G, et, accessoirement, évaluer les effets d'additifs alimentaires sur cette dynamique en prenant pour exemple d'étude un minéral argileux, la clinoptilolite, étant donné son possible lien avec le gène blaCMY-2 qui confère la résistance au ceftiofur. L'objectif suivant était d'investiguer les mécanismes menant à une augmentation de la prévalence du gène blaCMY-2 chez les porcs qui reçoivent de la nourriture médicamentée et qui n'ont pas été exposés au ceftiofur Ici encore,nous avons examiné les effets d’un supplément alimentaire avec un minéral argileux sur ce phénomène. Enfin, notre dernier objectif était d’étudier, dans le temps, les génotypes des isolats cliniques d'E. coli résistant au ceftiofur, isolés de porcs malades au Québec à partir du moment où la résistance au ceftiofur a été rapportée, soit de 1997 jusqu'à 2012. Dans l'étude initiale, la prévalence de la résistance à 10 agents antimicrobiens, incluant le ceftiofur, s’accroît avec le temps chez les E.coli isolées de porcelets sevrés. Une augmentation tardive de la fréquence du gène blaCMY-2, encodant pour la résistance au ceftiofur, et la présence des gènes de virulence iucD et tsh a été observée chez les isolats. La nourriture supplémentée avec de la clinoptilolite a été associée à une augmentation rapide mais, par la suite, à une diminution de la fréquence des gènes blaCMY-2 dans les isolats. En parallèle, une augmentation tardive dans la fréquence des gènes blaCMY-2 et des gènes de virulence iucD et tsh a été observée dans les isolats des porcs contrôles, étant significativement plus élevé que dans les porcs ayant reçu l'additif au jour 28. La diversité, au sein des E. coli positives pour blaCMY-2 , a été observée au regard des profils AMR. Certaines lignées clonales d'E.coli sont devenues prédominantes avec le temps. La lignée clonale du phylotype A prédominait dans le groupe supplémenté, alors que les lignées clonales du phylotype B1, qui possèdent souvent le gène de virulence iucD associé aux ExPEC, prédominaient dans le groupe contrôle. Les plasmides d'incompatibilité (Inc) des groupes, I1, A/C, et ColE, porteurs de blaCMY-2, ont été observés dans les transformants. Parmi les souches cliniques d'E.coli ESC-résistantes, isolées de porcs malades au Québec de 1997 à 2012, blaCMY-2 était le gène codant pour une β-lactamase le plus fréquemment détecté; suivi par blaTEM et blaCTX-M,. De plus, les analyses clonales montrent une grande diversité génétique. Par contre, des isolats d'E. coli avec des profils PFGE identiques ont été retrouvés dans de multiples fermes la même année mais aussi dans des années différentes. La résistance à la gentamicine, kanamycine, chloramphenicol, et la fréquence de blaTEM et de IncA/C diminuent significativement au cour de la période étudiée, alors que la fréquence de IncI1 et de la multirésistance à sept catégories d'agents antimicrobiens augmente significativement avec le temps. L'émergence d'isolats d'E. coli positifs pour blaCTX-M, une β-lactamase à large spectre et produisant des ESBL, a été observée en 2011 et 2012 à partir de lignées clonales distinctes et chez de nombreuses fermes. Ces résultats, mis ensemble, apportent des précisions sur la dissémination de la résistance au ceftiofur dans les E. coli isolées de porcs. Au sein des échantillons prélevés chez les porcs sevrés recevant l'alimentation médicamentée sur une ferme, et pour laquelle une augmentation de la résistance au ceftiofur a été observée, les données révèlent que les souches d'E. coli positives pour blaCMY-2 et résistantes aux ESCs appartenaient à plusieurs lignées clonales différentes arborant divers profils AMR. Le gène blaCMY-2 se répand à la fois horizontalement et clonalement chez ces E. coli. L'ajout de clinoptilotite à la nourriture et le temps après le sevrage influencent la clonalité et la prévalence du gène blaCMY-2 dans les E. coli. Durant les 16 années d'étude, plusieurs lignées clonales différentes ont été observées parmi les souches d'E. coli résistantes au ceftiofur isolées de porc malades de fermes québécoises, bien qu’aucune lignée n'était persistante ou prédominante pendant l'étude. Les résultats suggèrent aussi que le gène blaCMY-2 s'est répandu à la fois horizontalement et clonalement au sein des fermes. De plus, blaCMY-2 est le gène majeur des β-lactamases chez ces isolats. À partir de 2011, nous rapportons l'émergence du gène blaCTX-M dans des lignées génétiques distinctes.